记忆在大脑留下的印痕,或能帮我们对抗遗忘
2019-10-24 16:33

记忆在大脑留下的印痕,或能帮我们对抗遗忘

原文来自protomag.com,作者:Adam Bluestein,中文版首发于微信公众号:神经现实(ID:neureality),翻译:Lan Lynn、阿莫東森,编辑:德馨,封面:Davide Bonazzi


随着记忆障碍变得普遍,人们开始研究记忆的机制,试图探索其中的缺陷,并设法修复残缺的记忆。


追寻记忆


记忆的形成有可能被观察到吗?


多伦多儿童医院的希娜·乔斯林(Sheena Josselyn)在尝试通过一种超轻微型内窥镜观察小鼠的大脑,继而追寻记忆的痕迹。在她的实验中,小鼠大脑内细胞经标记后,被激活的细胞会发光。当小鼠记忆特定事件时(通常是微型电刺激),她会观察有哪些相关神经元的“开关”被打开。


乔斯林对有关记忆的根本问题非常感兴趣。例如单一神经元如何“决定”参与形成特定记忆,即产生“印痕”(engram)的过程。


在一个里程碑式的实验中,她注意到神经元“兴奋性”的作用,该实验于2009年发表在《科学》杂志上。所谓兴奋性,指的是在任意给定时间,某些神经元表现出更乐于传递电信号并连接其它神经元的倾向。


她使用了CREB蛋白增强的基因改造小鼠,以便于增强特定神经元的兴奋性,从而发现这一过程会影响大脑中记忆形成的区域。她发现,相比于普通神经元,临近的CREB增强神经元受电刺激而产生印痕的可能性增强了三倍。


该实验中,小鼠在受电击前会听到一个单音,从而形成声音与电击相关联的记忆。为了证明神经元的确编码了这段记忆,乔斯林用毒素选择性地关闭了在记忆形成过程中被激活的脑细胞。当小鼠再次听到同样的声音时,它没有因为以为将受到电击而僵住,显然已经忘了声音与电击的关联。


乔斯林的团队做了一系列类似的实验,不仅加强了对于印痕在大脑中如何分布的理解,并实现了有选择性的开关。这种对特定印痕的操纵技术将会起到革命性的作用,除了能治疗记忆障碍之外,还能帮助抑郁症患者,比如帮他们重拾积极的记忆,或者是通过使人忘掉酒精或毒药带来的快感来治疗成瘾。


乔斯林还认为,如果我们能摸清精神创伤的印痕在大脑中的分布,那么就有希望用类似的方法帮助来缓解创伤后应激障碍(PTSD)的症状。


乔斯林的工作是神经科学研究新浪潮的一部分,这些研究借助日益强大的技术融合,试图揭示记忆如何形成,如何丢失,以及如何能被重建。


乔斯林的研究恰逢其时,随着世界人口迅速老龄化,数百万人的记忆正受到阿尔茨海默病等痴呆症的威胁。2019年,美国国立卫生院(NIH)预计将在阿尔茨海默病的研究上投入超过20亿美元,但多数研究仍以淀粉样蛋白斑块和神经纤维缠结为主,这些病理特征在病情深化时会破坏大脑。


如果能够保存和取回那些隐藏但未被销毁的记忆,这不仅是对斑结研究的重要补充,更是在帮助患者的道路上迈出重要一步,帮他们避免或减轻那些由失去自我带来的损害。


何为记忆?


“记忆是构成我们人性的基本结构。”加州大学洛杉矶分校大脑研究所的心理学教授阿尔奇诺·席尔瓦(Alcino Silva)曾说,“没有记忆,我们还剩下什么自我呢?”


Dan Winters


记忆分很多种。内隐记忆的建立和使用都是无意识的,比如骑车这种运动记忆。内隐记忆储存于小脑和基底神经节中,深埋于大脑核心。短期工作记忆则像是某种心理便签,用于记录很少的一些事项,且只能存储不到一分钟。这种记忆位于前额皮质。


大多数记忆研究的对象主要是外显记忆,也是人们最害怕失去的记忆。外显记忆包括事件记忆(即情节记忆,或曰自传体式记忆)和对一般性事实的记忆(语义记忆),它存储于大脑的三个主要区域:海马体、新皮质以及杏仁核。


这类外显记忆形成于大脑颞叶深处的海马体,并在这里被编入索引。经由一个叫做记忆巩固的过程,通常发生于睡梦中并持续数周之久,这些由海马体新形成的记忆被转移至大脑表面充满褶皱的新皮质中,并在那里成为长期记忆。


颞叶中的杏仁核将情感内容与记忆联系起来,以便让记忆更持久。杏仁核在形成与恐惧相关的记忆方面起着重要的作用,这种记忆一般会很快形成,而这一特征也为使用小鼠研究记忆的实验提供了便利,使得电刺激或是强噪音刺激成为研究记忆形成和调取机制的通行方法。


无论存储在大脑的什么地方,所有的记忆在最基本的层面上都依赖位于神经元之间的突触作用。“一起激发的神经元连接在一起”(fire together, wire together)理论认为,记忆是通过加强突触连接来形成的。该理论由加拿大心理学家唐纳德·赫布(Donald Hebb)于1949年首次提出,后称“郝布定律”,自提出以来一直是神经科学界有关记忆研究的基本观念,且在很多种生物中得到实验验证。


这就是说,在微观层面上,当电化学信号经过突触,加强了相邻神经元的连接时,印痕就形成了。之后,历经反复的学习和唤起这些记忆,突触受到电化学信号不断的刺激,形成了更为紧密的连接。该过程被称为长时程增强(LTP)。席尔瓦认为郝布定律是神经科学最重要的发现之一。他说:“突触之于记忆,犹如DNA之于遗传。”


但记忆并非独立存在,而是由单个的印痕相互关联重叠,形成网状结构,以便能够锚定事件的时间地点,或是使经验之间存在相互参照。席尔瓦的工作向我们展示了某些用于形成单独记忆的过程对于形成互联记忆也至关重要。


席尔瓦认为,第一段记忆编码成功后,神经元会在短时内维持兴奋状态,这样它们就更容易参与形成第二段记忆。因此,任意两段几乎同时产生的记忆就会重复使用相同的一组神经元,这样就会增加这两段记忆间相互触发的可能性。席尔瓦将该理论命名为“分配-关联”假说。


Dan Winters


丹尼斯·蔡( Denise Cai)是纽约西奈山神经科学助理教授,她曾带领席尔瓦实验室的团队在小鼠身上测试分配-关联假说,这一系列实验都于2016年5月发表在《自然》杂志上。


起初他们发现,时间上越靠近的记忆,越有可能被同时唤起。科学家们将同一只小鼠分别放进两个笼子。在第一个笼子中,研究人员不对小鼠做任何事。5小时后,小鼠被转移到另一个笼子,并被给予轻微的足部电击。不出所料,经训练后,所有来到电击笼的小鼠都会僵住。


但令人惊讶的是,它们在不作处理的笼子里也会僵住。小鼠似乎将两个笼子和进入它们是否会被电击联系了起来。接下来,科学家们将笼子间的转移时间间隔延长至超过1天,结果小鼠只会在电击笼中僵住。


于是科学家们开始研究小鼠的大脑里的情况。与希娜·乔斯林的方法相似,他们也借助了大脑成像技术。研究发现,当转移时间间隔只有几个小时的情况下,所形成的不同记忆确实使用了同一组神经元。时间间隔增加后,印痕就不再重叠。席尔瓦的团队由此得出结论,神经元在对第一段记忆进行编码后,会更兴奋或更具可塑性,这种状态会持续5小时,这增加了它们参与形成第二段记忆的机会。


这些有关神经兴奋性的研究发现或许可以帮助解释一些其他种类的记忆关联,比如物体——词语,或是经验——地点。甚至可以用来预测神经衰老后会发生什么。


通过在大龄小鼠中重复这一实验,席尔瓦的团队发现虽然它们能像年轻小鼠那样唤起单独的记忆,但是无法在紧密联系的事件之间建立关联。研究者认为这可能是因为大龄小鼠的神经兴奋性衰减,所以他们使用了靶向药物来提升大龄小鼠的某些特定神经元的兴奋性,结果确实使它们在行为上表现出重新具有形成重叠的印痕并关联记忆的能力。


人们已经开始研发基于这些研究发现的治疗手段,我们在未来不仅仅有希望治疗衰老相关的认知衰退,还有可能介入更多的与神经兴奋性相关的疾病,如精神分裂症、抑郁症和躁郁症等。


Dan Winters


树突棘的秘密


近来,神经科学家们逐渐将注意力集中到了树突(大脑中如树枝般的神经细胞突起;它们在细胞之间穿行,能接受并将信号传递到细胞本体内)上。这些树突上又会有千万个名叫“树突棘”的突起,这些突起犹如枝芽,是神经元与其它神经元进行突触接触的实际接触点。这些树突棘的数量和密度会动态地随着时间变化增长或减少,而且它们似乎在学习和记忆形成中尤其重要。


举个例子,在幼年斑胸草雀(zebra finches,常被用作发声行为的实验模型)中,更高的树突棘更新水平(新树突棘取代旧树突棘的速率)与更高的歌曲学习水平有关。但随着啮齿动物变老,它们脑中树突棘的生成速度会下降;这种下降也出现于表现出阿尔茨海默病症状的基因工程鼠和一些类型的自闭症人群中。


在2018年的一项研究中,席尔瓦实验室记录了小鼠树突棘动态,并第一次在成年哺乳动物中发现:更高水平的树突棘更新和聚集,的确与增强的学习和记忆能力相关。


CCR5蛋白会抑制树突棘的产生,而携带一个减少CCR5蛋白产量的基因突变的基因工程鼠在记忆测试中表现得比未突变的对照组小鼠更出色,并在训练前有更高的树突棘更新水平。席尔瓦认为,较高的树突棘更新水平能帮助神经元在学习中增加突触连接。他也认为,在学习之后,聚集的树突棘能维持这些新突触的稳定。


树突棘也许还能帮助我们抵抗阿尔茨海默病。在一项2017年十月发表于《神经学年鉴》(Annals of Neurology)的研究中,研究人员们将一些人类尸检大脑中的树突结构分成了三类:没有疾病特征的,有一些疾病的生理特征但没有痴呆症状的,以及完全发展出阿尔茨海默病的。


对照组和没有痴呆症状的人群的大脑有着相似的树突棘密度,但阿尔茨海默病患者大脑中的树突棘密度则显著地降低了。树突棘密度的不同也许能解释为何在表现出阿尔茨海默病的生理性病征(例如大脑中出现β型淀粉样物质——Aβ,一种在大脑中形成淀粉样物质斑块的蛋白片段)的老年人中,多至半数从未发展出痴呆症。


位于麻省理工学院的利根川进(Susumu Tonegawa)实验室的另一些研究则发现:促进树突棘的形成有助于恢复某些“失去的”记忆。


在分别用阿尔茨海默病和退行性失忆症的小鼠模型进行的研究中,利根川团队发现:树突棘数量的减少会促成“沉默”印痕的形成;这种印痕在正常情况下无法被诱导,但仍然能用光遗传学技术(对特定经过修改的细胞进行光刺激,以将它们激活)或PAK1蛋白(一种能增加树突棘密度的蛋白)进行人工诱导。


在晚期阿尔茨海默病中,神经元的死亡宣告着记忆的完全消失但是,利根川的研究告诉我们:一些更早期的记忆失效也许仅仅是由于树突棘数量的减少造成了“读取失效”。这项发现让早期患者们重燃希望,因为记忆遗失也许可以被逆转。


当下,我们还没有办法向人脑中照射光线,但PAK1和其他实验用药也许能促进用于人体的治疗方案。例如,在2016年,加州大学圣地亚哥分校的团队研发了一组苯并噻唑两亲分子(benzothiazole amphiphiles);这种分子可以增进小鼠脑中新树突棘的生长。但利根川进的研究表明,任何这种类型的医疗手段都需要非常具体的目标细胞。


要想成功读取小鼠的沉默记忆,我们只能增进少数(与那些记忆相关的)记忆细胞的树突棘生长,而不能影响大量的神经元。这一点则应证了希娜·乔斯林等人研究的重要性,因为如果研究者们知道如何更准确地标记印痕,这些印痕就能够被更好地用作治疗目标。


Dan Winters


记忆研究的拼图


衰老会影响记忆的很多方面,其中最重要的一些影响则包括让人无法将不同的记忆清楚地分开。


“关于这点最好的例子,就是假如你每天都将车停在停车场里不同的车位上,那你就会常常找不到自己的车——这是由于其他相似的记忆所导致的干扰。”麻省总医院再生医学中心的阿马尔·萨海(Amar Sahay)说。老人经常分不清新旧记忆,或者会产生“错误的识别”。例如一位年长的亲戚将来访者认成她逝世已久的丈夫。


越来越多的研究将这些认知改变与海马体里一块叫“齿状回”的小区域中,因年老而产生的改变联系了起来。齿状回处理的是记忆中最繁重的任务——所有感知信息在进入大脑后,会首先在齿状回被以“什么、何时、何处”的形式编码为印痕,然后才被传输到前额叶进行长期存储。随着年纪增长,每一个突触需要满足越来越多的记忆需求;于是,齿状回便会逐渐“超载”,并开始产生嘈杂和不可靠的回忆。


神经发生允许齿状回在大脑的一生中不断产生新的神经元,以便其“自我刷新”;这个过程让齿状回能够抵抗“ 超载”。除了杏仁核和负责嗅觉的嗅球之外,齿状回是哺乳动物大脑内唯一在成年后还能产生新细胞的区域。有了神经发生带来的源源不断的新细胞供应,以便提供空间给新形成的记忆,这样一来新的经验就可以被清晰独立的寄存在大脑里,不至于造成困惑。


然而,虽然神经发生是一个持续的过程,许多动物和人类研究都发现,这个过程产生的新细胞会随着年纪增长而变少。马德里自治大学的研究人员的测量得出:在43岁大脑的海马体中,每立方毫米大约有42000个神经元;而在60岁的大脑中,这一数字则是3万~4万。但萨海的研究表明,这种衰减也许是部分可逆的。


在2016年发表于《神经元》的一项研究中,凯瑟琳·麦卡沃伊(Kathleen McAvoy)带领萨海实验室的科学家们,成功让小鼠脑中“新鲜”神经元的数量翻倍,并发现这使得中年和老年小鼠的记忆准确度都有了提升。这些小鼠在外观相似的环境中受到电击后,比正常小鼠更能准确辨认出这些环境;除此,它们在空间和情境辨别测试中也表现得很出色。


“神经发生得到改善后,这些动物辨别相似经验的能力就随之变强了。”萨海说。


随着越多的新细胞产生,阿尔茨海默病的发病则会剧减,而增强神经发生也许能帮助人们抗击阿尔茨海默病。上述马德里自治大学的研究发现,患有痴呆症的老年人中,神经发生的速率非常低。一名七十八岁死于阿尔茨海默病的老年人脑中,每立方毫米只有1万个新神经元,而同龄的健康老年人脑中,这个数字是23000。


萨海说,在类似于阿尔茨海默病的疾病中,海马体神经元之间的连接被扰乱了,进而致使前额叶的记忆巩固和存储效率低下,并且记忆会丢失细节,渐渐变得不那么准确——这是在年老大脑中的一个非常普遍的问题。


这样的“记忆粗略化”,在表现出与衰老相关的认知障碍的人群中更为显著,并且与创伤后应激障碍(PTSD)患者脑中的情形也有关联——在创伤后应激障碍中,具体的恐惧体验会将大块记忆遮掩起来。


萨海指出,越来越多的研究表明,这些模糊记忆的形成是由于从齿状回传递到CA3(一块与齿状回毗连的海马体区域)的兴奋性和抑制性信号失衡导致的。CA3的职责就是提供一个维护印痕的中转站,并促进在前额叶里长期的记忆存储。


随着大脑衰老,传递到CA3的抑制性信号会减少,以至于兴奋性信号占领主导地位,导致这块脑区过度活跃——在阿尔茨海默病的小鼠模型和认知能力轻微失调的人类中,这是一个显著的特征。


在健康的大脑中,CA3区域的活动被一种叫“抑制性中间神经元”的细胞抑制,因此不会过度活跃。抑制性中间神经元散落在兴奋性神经元的间隙中;他们可以增强或减弱兴奋性神经元之间传递的信号。


在目前进行中的神经发生研究里,萨海已经发现成年后产生的新神经元比老神经元更能“招募”抑制性中间神经元。也就是说,任何促进神经发生的疗法,也许也能抑制脑区过度活跃,并提升长期记忆的精确度。


Dan Winters


在2018年发表于《自然-医学》的一项研究里,萨海实验室中郭楠楠(音译)带领的团队发现:我们可以通过将老细胞重新与抑制性中间神经元连接起来,让它们“返老还童”——这样就可以弥补自然神经发生的不足。


为了达到这样的效果,研究人员们利用了一套复杂的抑制与反抑制系统。他们的主要目标分子是abLIM3;这个蛋白可以抑制齿状回向CA3发出的抑制性信号。他们用一个改造过的病毒来降低abLIM3的水平,以此恢复了CA3和抑制性神经元的连接,降低了CA3的活跃程度,并提升了中年和老年小鼠的记忆精确度。


这项研究可以与一个叫“多重轨迹理论”的新晋长期记忆模型联系起来。这个理论的支持者认为:回忆依赖于遗留在海马体里的印痕片段和在脑皮质里存储的、更完整的印痕之间持续的连接。萨海表示,他相信降低CA3的活跃程度,能帮助维护海马体里的那些印痕片段;而这些片段则像是一个个索引,使得记忆不会那么容易就受到时间的侵蚀。


萨海认为,在将来,一些能够促进神经发生,或是模仿神经发生对大脑回路的影响的疗法,会帮助我们抗击阿尔茨海默病和其他稍轻微一些的记忆损伤。他和许多人都相信二甲双胍(metformin)的潜力。


二甲双胍已经被美国食品药物管理局(FDA)批准使用,且已有证据表明,二甲双胍对小鼠的神经发生有促进作用。一些抗抑郁药也能促进新神经元的产生,也有很多研究表明有氧运动对神经发生的促进作用。“跑步是最好的自然干预。”萨海说。


目前的阿尔茨海默病研究集中在淀粉样蛋白斑块和神经纤维缠结上,而这些新的疗法将会填补目前研究中的空缺,并提供更及时的医疗干预。在不受控制的情况下,CA3脑区的过度活跃可能会加速β-淀粉样蛋白和tau蛋白(阿尔茨海默病的主要标记)的堆积,并最终导致神经元死亡。


β-淀粉样蛋白(左)和tau蛋白(右)


“我们要切断这个反馈系统。”萨海说,“这样才能解决问题。”萨海实验室在2018年获得了阿尔茨海默病协会的研究资金,计划研究abLIM3水平的降低是否能抑制β淀粉样蛋白的堆积,并改善阿尔茨海默病患者的记忆能力。


“关于记忆的本质和机理的基础研究进展,对于我们的物种来说,比过去三四十年间的任何科学进展都更重要。”席尔瓦表示:“(记忆研究)这个拼图有几百万块碎片,但我们已经拼好了重要的一角。”


原文来自protomag.com,作者:Adam Bluestein,中文版首发于微信公众号:神经现实(ID:neureality),翻译:Lan Lynn、阿莫東森,编辑:德馨

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